剖析切換式電源供應(yīng)器的原理及常用元件規(guī)格

1、剖析切換式電源供應(yīng)器的原理及常用元件規(guī)格剖析切換式 Core)材質(zhì),Q1電晶體的規(guī)格要求為耐電壓600V,耐電流7A以上,表一為業(yè)界常用的規(guī)格.PFC IC控制Q1的導(dǎo)通與截止,一般依流過(guò)電感的電流波形分為連續(xù)式(Continuous)和不連續(xù)式(Discontinuous)兩種,業(yè)界一般采用的型號(hào)有TI的UC3852,UC3854,ST的6561及Infineon的TDA4863等.D1為功因調(diào)整用超快速回復(fù)二級(jí)體(PFC Hyperfast Recovery Diode),一般規(guī)格為耐電壓600V,耐電流5A以上,反向回復(fù)時(shí)間(Reverse recovery Time, trr)為20n

2、s以下,表二為業(yè)界一般采用的規(guī)格型號(hào).C1則依其輸出漣波規(guī)格大小來(lái)決定其值,典型值通常在100f以上,耐壓在450 500V之間,一般采用電解電容材質(zhì).由PWM IC,Q2,T1,D2,C2組成Power stage,藉由PWM IC控制Q2電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與否,配合次級(jí)側(cè)的二極體和電容,即可得到DC電壓的輸出,而變壓器T1因?yàn)橛袣庀吨?其初級(jí)圈具有隔離,變壓和電感的三重功能,藉由Q2電子開(kāi)關(guān)作用將儲(chǔ)存於在變壓器的能量傳遞給次級(jí)側(cè),再藉由電容C2的動(dòng)作方式也可分為四個(gè)狀態(tài)來(lái)討論,其中第1個(gè)狀態(tài)是當(dāng)Q1,Q4為ON,Q2,Q3為OFF時(shí),電流方向如圖七中虛線所示,此時(shí)若PFC stage的輸出為

3、400V,則變壓器之初級(jí)側(cè)電壓VC亦為400V,Q1,Q4導(dǎo)通而Q2 ,Q3所需的耐壓約為400V.VC經(jīng)由變壓器耦合到次級(jí),次級(jí)側(cè)的電流經(jīng)D2把能量?jī)?chǔ)存在電感L中并供應(yīng)到輸出VO端.第2個(gè)狀態(tài)是當(dāng)Q1,Q4 ,Q2,Q3為OFF,稱(chēng)為截止時(shí)間(dead time),此時(shí)變壓器的初級(jí)側(cè)完全沒(méi)有能量耦合到次級(jí)側(cè),而落在Q1,Q4 ,Q2,Q3的壓降約各為200V,次級(jí)側(cè)則將上一個(gè)狀態(tài)儲(chǔ)存在電感L能量釋放到負(fù)載.第3個(gè)狀態(tài)是即Q1,Q4 1為OFF而Q2,Q3為ON,電流方向如圖七中的雙虛線所示,此時(shí)若PFC的輸出為400V, VC約為-400V,Q2,Q3導(dǎo)通而Q1,Q4所需的耐壓約為400V,

4、 VC經(jīng)由變壓器耦合至次級(jí),使次級(jí)側(cè)電流經(jīng)由D1將能量?jī)?chǔ)存在電感L中,并供應(yīng)到輸出VO端.第4個(gè)狀態(tài)和第2狀態(tài)同樣是Q1,Q4 ,Q2,Q3為均為截止,接下來(lái)再進(jìn)到第1個(gè)狀態(tài),如此周而復(fù)始不段地循環(huán)下去.由上述地原理可知,全橋式電路需使用4顆400V的開(kāi)關(guān),基於成本考量,業(yè)界通常以耐電壓400V的電晶體來(lái)制作.比較全橋式和半橋式電路,在相同的輸出功率下,由於全橋式電路的變壓器輸入電壓VC為半橋式的兩倍,因此流經(jīng)全橋式電路晶體開(kāi)關(guān)的電流僅有半橋式電路的一半,所以若使用相同耐電壓,耐電流的電晶體,全橋式電路輸出的功率可比半橋式大一倍,其常用的規(guī)格和半橋式相同,如表六所示.而PWM IC則常以TL4

5、94 IC加上一些邏輯閘來(lái)制作.六, 提供大功率需求的推挽式電路拓仆圖九為推挽式電路拓仆之電路簡(jiǎn)圖,而PWM IC所產(chǎn)生的控制信號(hào)和各FET晶體的VDS波形如圖十所示.電路的動(dòng)作方式亦分為四個(gè)狀態(tài)來(lái)討論,其中第1個(gè)狀態(tài)是當(dāng)Q1為ON,Q2為OFF時(shí),電流方向如圖九中的虛線所示,此時(shí)若PFC stage的輸出為Vd約400V,則變壓器之初級(jí)側(cè)電壓VC1為-400V,直接傳遞能量到次級(jí)Vs1,此時(shí)D1導(dǎo)通使電流流過(guò)電感L并把能量?jī)?chǔ)存其中,且供應(yīng)到輸出VO端,而此時(shí)Q2FET的耐壓為2Vd=800V.這是本電路和半橋式電路的最大不同點(diǎn),而業(yè)界常用的MOSFET規(guī)格與順向式電路所用的MOSFET規(guī)格相

6、同,如表五所示.此外亦有業(yè)者為節(jié)省成本而使用高耐壓BJT電晶體來(lái)取代,但耐壓800V的BJT較不多見(jiàn).第2個(gè)狀態(tài)是當(dāng)Q1和Q2皆為截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)變壓器沒(méi)有能量耦合到輸出端,而落在Q1和Q23的壓降約為Vd=400V,次級(jí)側(cè)則將上一個(gè)狀態(tài)儲(chǔ)存在電感L上的能量釋放到負(fù)載.第3個(gè)狀態(tài)是即Q1為OFF而Q2轉(zhuǎn)為ON,電流方向如圖十中的雙虛線所示,此時(shí)若PFC stage的輸出為400V, 則變壓器初級(jí)繞組上的電壓VC2約為+400V,直接傳遞能量到次級(jí)VS2,則D2導(dǎo)通并流過(guò)電流到電感L,將能量?jī)?chǔ)存於其中并供應(yīng)到輸出VO端,此時(shí)Q2FET的耐壓為2Vd=800V.第4個(gè)狀態(tài)和第2狀態(tài)同樣是Q1,Q4

7、,Q2,Q3為通通截止,接下來(lái)再進(jìn)到第1個(gè)狀態(tài),如此周而復(fù)始不段地循環(huán)下去.推挽式電路和半橋式電路同樣使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件,只是電路的接法不同,然而為何較大功率需求的產(chǎn)品如UPS,通信設(shè)備或儀器用電源大多仍使用此種架構(gòu)呢 其實(shí)是由於在第1個(gè)狀態(tài)時(shí)半橋式電路的變壓器初級(jí)側(cè)電壓值VC約為Vd/2,而推挽式電路的VC約為Vd,當(dāng)變壓器要傳遞相同能量時(shí),半橋式電路的變壓器初級(jí)側(cè)電流要比推挽式電路高上一倍,使得變壓器本身的磁滯損失和渦流損失增加而提高溫升,而使用較大的變壓器不僅增加成本,在某些應(yīng)用上由於變壓器體積變大而顯得較為麻煩.在元件的采用上開(kāi)關(guān)元件使用如表5的800V耐壓FET,而PWM IC常以TL

8、494來(lái)制作.推挽式電路雖然仍有其市場(chǎng),但其缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)元件需使用耐壓高達(dá)800V以上的MOSFET,故以價(jià)格導(dǎo)向且數(shù)量龐大如個(gè)人電腦的ATX電源供應(yīng)器市場(chǎng)較不會(huì)使用它,而采用半橋式架構(gòu)為多.七, 防治EMI為重要課題由於前幾節(jié)所介紹的各種電路拓仆,其輸入電壓范圍為90VAC 264VAC(廣域輸入電壓,Universal Input),這麼高的電壓經(jīng)PFC stage切換后無(wú)論傳導(dǎo)性或輻射性電磁雜訊都已相當(dāng)高,而且PFC stage輸出的400V直流電壓為又供給到POWER stage部分,400V的高壓電經(jīng)開(kāi)關(guān)元件切換產(chǎn)生更大的電磁雜訊,使得切換式電源供應(yīng)器的EMI防治方式相當(dāng)復(fù)雜.而從上述

9、各種電路如圖三的返馳式電路中Q2導(dǎo)通時(shí)的電流回路,圖四的順向式電路Q(chēng)2導(dǎo)通時(shí)的電流回路,圖五的半橋式電路中虛線和雙虛線電流回路,圖七的全橋式電路中虛線和雙虛線電流回路,圖九的推挽式電路中虛線和雙虛線電流回路都會(huì)和天線一樣散發(fā)出輻射性EMI,這些雜訊都會(huì)對(duì)產(chǎn)品上市造成相當(dāng)大的困擾,因此一個(gè)好的電源供應(yīng)器產(chǎn)品除了其電路本身需有良好的設(shè)計(jì)技術(shù)之外,更需要有EMI的專(zhuān)家或工程師的配合才能使產(chǎn)品出貨無(wú)往不利.八, 結(jié)語(yǔ)一般而言,切換式電源供應(yīng)器以MOS FET或BJT來(lái)作為開(kāi)關(guān)元件,利用馳返式電路拓仆可制作出數(shù)W 150W之間的產(chǎn)品,順向式或推挽式可達(dá)到400W左右,半橋式約數(shù)百W,全橋式可達(dá)1KW以上

10、.本文詳述了切換式電源供應(yīng)器的各種電路架構(gòu)和動(dòng)作原理,并且點(diǎn)出各大有名的廠家所提供的主動(dòng)元件規(guī)格和編號(hào),對(duì)於業(yè)界的同好而言,而論初學(xué)者或老手都可從本文中方便取得切換式電源供應(yīng)器的制作技術(shù)和資料,并研發(fā)出適合的電源供應(yīng)器來(lái).參考文獻(xiàn):1 2 Ned Mohan, Tore M. Undeland, and William P. Robbins, Powerelectronics :converters, applications, and design, Wiley, New York, 667pp, 1989.3 Pressman, Abraham I., Switching power su

11、pply design, McGraw-Hill, NewYork, 926pp, 19914 林慶仁,宋自恒,最新的電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)與產(chǎn)品特點(diǎn),新電子科技雜志2001年.11月號(hào)第188期.5 梁適安,交換式電源供給器之理論與實(shí)務(wù)設(shè)計(jì),全華圖書(shū)公司, 臺(tái)北市, 389pp, 1994.表一 業(yè)界常用的PFC級(jí) 600V耐壓電晶體規(guī)格型號(hào)表I(A)Rds on (Ohm)Type No.BrandPackage71.2PHX7NQ60EPhilipsTO220F7.30.6SPP07N60C2InfineonTO220100.75PHX10NQ60EPhilipsTO220F表二 業(yè)界常用的P

12、FC 二極體規(guī)格型號(hào)表PACKAGESURFACE MOUNTLEADEDIO(AV)/ IF(AV)(A)VRRM(V)trr(ns)D2-PACK(SO T-404)TO-220AC(SO D-59)560019BYC05B-600BYC05-600860019BYC08B-600BYC08-6001060019BYC10B-600BYC10-600表三 業(yè)界常用的600V MOSFET規(guī)格型號(hào)表I(A)Rds on (Ohm)Type No.BrandPackage1112SK3491SanyoI Pack1.83SPU02N60S5InfineonI Pack32.62SK2624Sa

13、nyoTO220F42.5PHX4NQ60EPhilipsTO220F61.22SK2628SanyoTO220F71.2PHX7NQ60EPhilipsTO220F7.30.6SPP07N60C2InfineonTO220100.75PHX10NQ60EPhilipsTO220F110.38SPP11N60C2InfineonTO220110.38SPW11N60C2InfineonTO247200.19SPP20N60C2InfineonTO220200.19SPW20N60C2InfineonTO247470.07SPW47N60C2InfineonTO247表四 業(yè)界常用的肖特基二極體

14、規(guī)格型號(hào)表Io(AV)VRRMVFIFSinglePackageIF(AV)(V)(mV)(A)/DualSURFACE MOUNTLEAD(A)SOT 223D-PACK(SOT 428)D2-PACK(SOT 404)TO220AC(SOD 59)TO220AB(SOT 78)SOD 113(SOT 186A)SOT 186ATO247(SOT 429)2404501DUALPBYR240CT2254501DUALPBYR245CT3405701.5DUALPBYR340CTD3455701.5DUALPBYR345CTD6406003DUALPBYR640CTD6456003DUALPB

15、YR645CTD7.5405707.5SinglePBYR740DPBYR740BPBYR740PBYR740X7.5455707.5SinglePBYR745DPBYR745BPBYR745PBYR745X104057010SinglePBYR1040DPBYR1040BPBYR1040104059010SinglePBYR1040X10406005DUALPBYR1040CTD104557010SinglePBYR1045DPBYR1045BPBYR1045104559010SinglePBYR1045X10456005DUALPBYR1045CTD106070010SinglePBYR1

16、060BPBYR10601010070010SinglePBYR10100BPBYR1010015405707.5DUALPBYR1540CTBPBYR1540CTPBYR1540CTX15455707.7DUALPBYR1545CTBPBYR1545CTPBYR1545CTX164057016SinglePBYR1640BPBYR1640164060016SinglePBYR1640X164557016SinglePBYR1645BPBYR1645164560016SinglePBYR1645X204057010DUALPBYR2040CTBPBYR2040CTPBYR2040CTX2040

17、65020DUALPBYR2540CTX204557010DUALPBYR2045CTBPBYR2045CTPBYR2045CTX204565020DUALPBYR2545CTX206070010DUALPBYR2060CTBPBYR2060CT2010070010DUALPBYR20100CTBPBYR20100CT304060020DUALPBYR3040WT304062020DUALPBYR2540CTBPBYR2540CT304560020DUALPBYR3045WT304562020DUALPBYR2545CTBPBYR2545CT306070015DUALPBYR3060WT301

18、0070015DUALPBYR30100WT404060020DUALPBYR4040WT404560020DUALPBYR3045WT604060030DUALPBYR6040WT604560030DUALPBYR6045WT表五 業(yè)界常用的800V MOSFET規(guī)格型號(hào)表I(A)Rds on (Ohm)Type No.BrandPackage3.41.3SPA04N80C3InfineonTO220F60.95SPP06N80C3InfineonTO2204.90.65SPA08N80C3InfineonTO220F5.90.45SPA11N80C3InfineonTO220F170.29SPP17N80C3InfineonTO220170.29SPW17N80C3InfineonTO247表六 業(yè)界常用的400V 功率晶體規(guī)格型號(hào)表I(A)Type No.Brand4PHE13005Philips72SC5763Sa